Vehicle dynamics control for independent-all-wheel-drive full electric vehicles

Nowadays, two significant trends are driving the automotive industry: electric vehicles and autonomous cars. Besides the ecological aspect, electric powertrains offer attractive advantages: a fast response, a precise generation of requested torque, the possibility to have multiple motors on the vehicle. These peculiarities pave the way for reconsidering classical vehicle dynamics controls (ABS, TC, ESC) and improving autonomous driving performance. This dissertation discusses different control strategies to exploit the advantages introduced by vehicle electrification; in particular, we present a control stack for autonomous full-electric vehicles with 4 electric motors (1 per wheel). Following a bottom-up approach, we start from the lowest level, i.e. wheel dynamics, for which we have designed a nonlinear longitudinal slip regulator. The novelty of the proposed approach consists in synthesising the controller using a grey-box model to include the transmission dynamics. Afterwards, we have considered lateral vehicle dynamics, firstly to improve safety and then to increase fun-to-drive. We have proposed an ESC scheme able to maintain the vehicle stable in critical situations regardless of the road conditions; it controls a convex combination of yaw rate and sideslip. We leverage the expertise gained to design a torque vectoring control that continuously enhances the vehicle dynamics. Then, autonomous driving scenario is tackled with focus on path tracking. We propose a multi-layer controller that easily integrates the lower level control structures managing multiple actuators (steering wheel, electric motors). The controller, designed exploiting LPV/Hinf technique, includes tyre nonlinearities. Finally, the highest level, i.e. planning, is addressed; we focus on the longitudinal dynamics, in which regenerative energy capabilities can be exploited. Specifically, we have designed a progressive iterative dynamic programming algorithm that includes both comfort and consumption aspects. We have validated all the proposed control systems using the full-fledged software IPG CarMarker and VI-Grade. ABS/TC and the ESC have been experimentally tested utilising a full electric SUV with 4 motors in different conditions: dry asphalt, snow and ice. The TV has also been validated using a static simulator with certified pilots gathering useful insights that were otherwise impossible to capture.

Al giorno d'oggi, due tendenze significative stanno guidando l'industria automobilistica: i veicoli elettrici e le auto a guida autonoma. Oltre all'aspetto ecologico, i motori elettrici offrono vantaggi interessanti: una risposta rapida, una generazione precisa della coppia richiesta, la possibilità di avere più motori sul veicolo. Queste peculiarità aprono la strada al ripensamento dei classici controlli della dinamica dei veicoli (ABS, TC, ESC) e al miglioramento delle prestazioni dei veicoli a guida autonoma. Questa tesi discute diverse strategie di controllo per sfruttare i vantaggi introdotti dall'elettrificazione dei veicoli; in particolare, viene presentato un sistema di controllo per veicoli elettrici autonomi con 4 motori (1 per ruota). Seguendo un approccio bottom-up, sono partito dal livello più basso, ovvero la dinamica della ruota, per la quale ho progettato un regolatore di slittamento longitudinale non lineare. La novità dell'approccio proposto consiste nel sintetizzare il controller utilizzando un modello grey-box per includere la dinamica della trasmissione. Successivamente, ho considerato la dinamica laterale del veicolo, prima per migliorare la sicurezza e poi per aumentare il divertimento alla guida. Ho proposto uno schema ESC in grado di mantenere stabile il veicolo in situazioni critiche indipendentemente dalle condizioni stradali; l’algoritmo controlla una combinazione convessa di velocità di imbardata e slittamento laterale. L'esperienza acquisita è stata usata per progettare un controllo torque vectoring a che migliora la risposta del veicolo anche in condizioni non critiche. Successivamente, è stato affrontato il mondo della guida autonoma; in particolare, il problema dell’inseguimento di una traiettoria nota. Ho proposto uno schema di controllo in cascata in grado di integrare facilmente eventuali schemi di controllo preesistenti semplificando la gestione di più attuatori (volante, motori elettrici). Il regolatore, progettato sfruttando la tecnica LPV/Hinf, include le non linearità dello pneumatico. Infine, viene affrontato il livello più alto, ovvero la pianificazione della traiettoria; mi sono concentrato sulla dinamica longitudinale, nella quale possono essere sfruttate a pieno le capacità di rigenerazione. Nello specifico, ho progettato un algoritmo di programmazione dinamica iterativa e progressiva che ottimizza sia gli aspetti di comfort che quelli di consumo. Tutti i sistemi di controllo proposti sono stati validati utilizzando i software IPG CarMarker e VI-Grade. L'ABS/TC e l'ESC sono stati testati sperimentalmente in diverse condizioni (asfalto asciutto, neve e ghiaccio) utilizzando un SUV completamente elettrico con 4 motori. Il TV è stato inoltre validato utilizzando un simulatore statico. Grazie a piloti professionisti, è stato possibile raccogliere informazioni utili per migliorare l’algoritmo.